1. 什么是創(chuàng)成式設(shè)計？

創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design，GD）是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計意圖，通過"創(chuàng)成式"系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設(shè)計方案推送給設(shè)計者進行最后的決策。

2.為什么介紹醫(yī)學(xué)植入物方面？

創(chuàng)成式設(shè)計雖然在日常的消費產(chǎn)品方面有許多應(yīng)用的案例，但是離開主流應(yīng)用仍然有很大的差距。創(chuàng)成式的設(shè)計和制造最大價值在于小批量高度定制化的產(chǎn)品，類似航空航天公司和致力于醫(yī)學(xué)植入物的行業(yè)。

醫(yī)學(xué)植入體，類似人工骨，是非常明確的高度個性化的產(chǎn)品。每個人都不一樣，因此植入體最為行業(yè)所關(guān)心的是沒有一個能夠適用所有的設(shè)計解決方案。

生物醫(yī)學(xué)工程公司很早就使用了3D打印技術(shù)。最近，第一個3D打印鈦合金髖關(guān)節(jié)接受者慶祝了10周年紀(jì)念，據(jù)報道，患者依舊行動自如。進行這場手術(shù)的醫(yī)生Guido Grappiolo自從那次手術(shù)后已經(jīng)進行了超過600次的3D打印植入體的植入手術(shù)?？v觀全球，超過10000名患者受益于3D打印髖關(guān)節(jié)植入體。這些都是這項技術(shù)有效性有力證明。

右圖為人工髖關(guān)節(jié)中的臼杯

但是，在過去的10年時間CAD和CAE仿真已經(jīng)發(fā)生了很大的變化?，F(xiàn)在的創(chuàng)成式設(shè)計和拓撲優(yōu)化技術(shù)，不僅能減輕植入體的重量，而且可以更接近地模仿骨骼內(nèi)部的骨小梁結(jié)構(gòu)。

因此，可能你會好奇，醫(yī)療種植體的創(chuàng)成式設(shè)計和拓撲優(yōu)化，現(xiàn)在我們究竟達到了怎樣的高度？

在談及一個關(guān)于醫(yī)學(xué)植入體、拓撲優(yōu)化、創(chuàng)成式設(shè)計的話題時，Altair OptiStruct是不得不提及的。

Altair OptiStruct是第一個用于商業(yè)用途的拓撲優(yōu)化軟件，誕生于密歇根大學(xué)的骨骼生長研究。Altair的首席市場官（CMO）Jeff Brennan，曾經(jīng)致力于研究骨骼如何響應(yīng)外部的受力情況進行生長，并且開發(fā)了一個數(shù)學(xué)算法去模仿這種現(xiàn)象（這個理論就是眾所周知的沃爾夫定律）。Brennan后來帶著他的研究來到了Altair工作。

在一段時間的校企合作后，Altair肩負起了算法開發(fā)的責(zé)任，并且于1994年發(fā)布了Altair OptiStruct平臺。

從那以后，Altair OptiStruct成為了拓撲優(yōu)化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)平臺并且出現(xiàn)了眾多工業(yè)應(yīng)用的分支，包括航空和汽車。

利用Altair OptiStruct拓撲優(yōu)化進行車架設(shè)計

如今，得益于增材制造，Altair OptiStruct回到了它的本源，被用來設(shè)計骨骼植入體。整個過程畫了一個完美的圈，從最初拓撲優(yōu)化被用來模擬骨骼生長的自然表現(xiàn)，最終大自然成為了設(shè)計工程師最好了引路人。

Altair OptiStruct解算器現(xiàn)被用在Altair HyperWorks和Altair Inspire。

Altair OptiStruct是提供拓撲優(yōu)化的解算器和優(yōu)化器，但是這個工具是為仿真專家而設(shè)計的。Altair Inspire包含了Altair OptiStruct的功能，使用了更加友好的用戶界面，使得設(shè)計工程師能夠在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段使用到拓撲優(yōu)化技術(shù)。

Altair Inspire界面示意圖

Altair OptiStruct解算器以各種形式被使用在了髖關(guān)節(jié)植入體，頜骨植入體和脊柱植入體。

但是，除了3D打印的高度定制化，拓撲優(yōu)化提供的減重，使用創(chuàng)成式的設(shè)計方法設(shè)計的植入體還有什么其他的優(yōu)勢呢？

對于我們設(shè)計的髖關(guān)節(jié)植物體，它的優(yōu)勢在于能夠通過優(yōu)化的剛度減少應(yīng)力遮擋和骨吸收。骨吸收是產(chǎn)生植入體松動和高骨折風(fēng)險的一個主要原因。骨吸收是一種由于噬骨細胞破壞骨組織的而造成的骨質(zhì)丟失。

這是很值得關(guān)注的一個點，植入體的松動和錯位是兩個造成全髖關(guān)節(jié)（THA）翻修術(shù)的主要原因。簡單來說，一個好的植入體設(shè)計能夠使患者獲得更久的下地時間，需要更少的翻修手術(shù)。

造成人工髖關(guān)節(jié)植入患者額外手術(shù)的原因

應(yīng)力遮擋是一個重要的概念，后面會回再來討論這個問題。

因為鈦合金的生物相容性，它是完美的植入體的材料。但問題在于鈦的剛度是股骨皮質(zhì)骨的6.5倍，當(dāng)一個鈦合金的植入體被植入到患者體內(nèi)，自然骨骼的載荷分配發(fā)生了改變（自然骨受到的載荷變小了）產(chǎn)生了應(yīng)力遮擋。正如沃爾夫定律，骨骼根據(jù)它所經(jīng)歷的載荷自身進行重建。由于伴隨著鈦合金植入體載荷減小了，骨骼實際上失去了質(zhì)量，骨吸收產(chǎn)生了，那時，骨折，錯位和松動就會產(chǎn)生。

因此，設(shè)計一個植入體在微結(jié)構(gòu)層面盡可能接近原始的材料是自然分配這些載荷的關(guān)鍵，也是減少這些不想產(chǎn)生的效果的關(guān)鍵。

人體股骨應(yīng)力遮擋米塞斯應(yīng)力

上圖顯示了股骨的米塞斯應(yīng)力。第一張圖是自然，健康的骨頭。第二張圖是植入了傳統(tǒng)植入體后的米塞斯應(yīng)力，第三張是優(yōu)化后的植入體的受力情況。可以注意到，第三張使用優(yōu)化植入體顯示了與自然骨骼相似的應(yīng)力集中。這正是所希望的。第二張圖顯示了應(yīng)力的減少。這是典型的應(yīng)力遮擋的情況，這是不希望看到的。

Altair Inspire使用Altair OptiStruct設(shè)計優(yōu)化的點陣結(jié)構(gòu)減少剛度和質(zhì)量，因此減少了應(yīng)力遮擋。

3D打印髖關(guān)節(jié)植入體

軟件算法更能夠把3D打印的制造限制考慮進去，控制優(yōu)化結(jié)果的懸空角度。最近，軟件允許用戶創(chuàng)建桿長和桿徑都能優(yōu)化的點陣或者半點陣結(jié)構(gòu)，你能看到如上圖的點陣結(jié)構(gòu)。

不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)，前文所提到的所有打印的骨植入體的形狀都與它的設(shè)計保持完全一致。

隨著拓撲優(yōu)化技術(shù)被應(yīng)用到消費產(chǎn)品和高端工程產(chǎn)品，拓撲優(yōu)化設(shè)計的趨勢更趨向于優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的巨大改變。

但在醫(yī)學(xué)種植體領(lǐng)域，特別是骨骼的替代，大量的外觀形狀被保留，最大優(yōu)化產(chǎn)生于微結(jié)構(gòu)層級。

隨著優(yōu)化技術(shù)在設(shè)計工程類產(chǎn)品時被創(chuàng)造出類似鏤空的形態(tài)，在進行植入體設(shè)計時，高外形還原度才是關(guān)鍵。以微結(jié)構(gòu)層級如實重建出產(chǎn)品意味著患者生命得以延續(xù)，患者能感覺良好并正常步行，在微結(jié)構(gòu)層級對真實骨骼的模仿能夠獲得更好的實現(xiàn)骨整和。允許載荷被轉(zhuǎn)移到正確的方向上。

雖然有時我們期望從創(chuàng)成式設(shè)計獲得新奇設(shè)計，但這其實對于大自然來說并不新奇。